正向设计在快速成型技术中的应用与实践

杨延波 王 晓 孙晓锦

(1.陕西工业职业技术学院 陕西咸阳712000；2.陕西省城市经济学校 西安710016)

随着生活水平的提高，人们对机电产品、办公用品等日常商品的个性化需求愈发强烈。市场上目前使用的卷尺造型属正方圆角常规形态。本文将介绍一款新型电动卷尺的研发过程，阐述工业设计中正向设计方法在新产品开发中的应用过程，拟将三维数字化设计和快速成型技术运用到新产品的开发中，使得产品的研发周期缩短、成本减少，并能满足人们个性化的生活需要。

1 设计思路

正向设计是以系统工程理论、方法和过程模型为指导，面向复杂产品和系统的改进改型、技术研发和原创设计等场景，以需求拉动和技术推动为动力，不以仿制抄袭山寨为手段和目的，消化吸收各种现有技术和成果，以提升企业自主创新能力和为客户创造价值为目标的设计活动[1]，简言之就是一个从概念设计起步到CAD建模、数控编程、数控加工的过程。其中，数控编程和数控加工环节属于产品模型制作环节。该环节由于不可控因素较多引起效率低、周期长和成本高等不足，其基本流程如图1所示。

图1 正向设计的基本流程

新型电动卷尺的研发将对常见的卷尺重新进行造型设计，使其具有文化创意、结构完善、功能多样等特点和要求。该卷尺重点参考人体工学原理，运用三维数字化设计技术进行自主研发，采用自上向下设计方法快速设计和更新零件的模型，可明显缩短研发周期。使用快速成型技术进行增材制造，极大降低生产成本。即对图1中的CAD建模环节采用自上向下设计方法，数控编程和数控加工环节采用快速成型技术进行技术改进，其改进后的基本流程如图2所示。

图2 改进后的正向设计基本流程

2 三维实体设计

2.1 创意草图设计

新型电动卷尺的原型理念来源于民间泥塑—拓荒牛，其造型创意古朴，形态浑厚有力，极富地域特色，如图3所示。创意草图设计属于概念设计的环节，运用素描技术进行初步的方案设计，使用功能联想和模仿创新两种创新方法手工绘制出电动卷尺的创意草图[2]，创意草图设计如图4所示。

图3 拓荒牛泥塑模型

图4 创意草图设计

2.2 三维造型设计

电动卷尺的三维造型设计使用PTC Creo Parametric 3.0软件进行CAD建模。首先根据创意草图设计出该造型的外观曲面，如图5所示。其次使用自上向下设计方法逐个拆分零件，并创建出各个零部件的三维实体[3]，如图6所示。最后对各个三维实体模型进行组装。其自上向下设计的优点是若对产品整体造型外观曲面进行修改，则所有零件的形态也会随之自动更改，而最终的装配体也会同步更新[4]。

图5 外观曲面

由于在正向设计中不能提前预判电动卷尺的外形、结构、尺寸和其他细节问题，并在短时间内进行优化，因此利用自上向下设计方法的优点可实现由于电动卷尺概念设计的变化而引起的模型快速修改和更新。经多次论证后，确定了最终的方案，缩短了设计周期。

图6 拆分的三维实体零件

2.3 人机工学

由于工业设计主要解决人—物之间的关系，所以研发新产品应重点考虑人在使用时的舒适性、合理性和便捷性，以期达到人群使用的安全需求。新型电动卷尺的设计要符合人机工学原理，根据大众群体手掌的尺寸标准，采用前大后小的通用性原则，以期适合各类人群的手握尺寸。使用时只需单手操控按钮便可自由伸缩尺带来进行实际测量。利用PTC Creo Parametric 3.0软件的Pro/E Mankin模块测试该造型设计是否满足人机工学的要求。其过程如下：（1）打开组装好的电动卷尺模型；（2）插入Pro/EMankin库的Mankin组件；（3）对该Mankin组件模型进行组装定位，使电动卷尺组件模型放置在该人体模型组件的右手中[5]。经对比分析，该电动卷尺设计的外形、结构、尺寸、比例等符合人们的右手握持习惯，如图7所示。

图7 Pro/E Mankin模块进行人机工学对比

3 三维实体模型的渲染

工业设计最终目的是为人们提供更合理的使用方式，但产品只有在人们购买使用后才能体会它的作用。为了提高新型产品的吸引力和加强市场宣传推广，需要对新产品进行三维渲染，从而提高产品的附加值和知名度，利于市场拓展并提升商品的价值。

采用Keyshot软件进行三维实体零件的渲染设计[6]。其操作步骤如下：（1）打开Keyshot4.2 Pro软件，导入电动卷尺的三维模型，并进行位置调整使其贴合地面。（2）对电动卷尺的各个零件附着不同的材质进行渲染，如图8所示。（3）对渲染后的效果图进行保存，便于后期的宣传和市场宣传。

图8 三维实体的渲染效果

4 产品模型的制作

新型电动卷尺的三维实体设计完成后将三维模型保存为STL格式。使用北京太尔时代科技有限公司的INSPIRE D255型3D打印设备进行增材制造。该设备是基于FDM（Fused Deposition Modeling熔融沉积制造）工艺技术的3D打印机，使用ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）丝状材料进行制作。其操作步骤如下：（1）打开ModelWizard 1.80Beta版三维打印专家软件，导入电动卷尺的三维实体模型并进行合理摆放。（2）对导入的三维模型添加辅助支撑、设置分层参数和材料质量的预估打印等设置。（3）将3D打印数据发送给3D打印机进行增材制造，完成的成品如图9所示。（4）将3D打印完成的模型经过剥离辅助支撑、粘贴、打磨抛光等后期处理，效果如图10所示。

图9 3D打印完成后的实物

图10 实物模型后期处理后的效果

5 结语

工业新产品的研发应根据市场需求，采用先进的设计方法和技术手段进行理念创新及技术改进。该新型电动卷尺采用正向设计思路进行新产品研发，将传统的加工制造环节进行优化和改进，在不影响新产品研发的前提下使改进后的设计流程符合正向设计思路。将工业设计理念和技术融入整个研发过程，使新产品在具备文化创意、功能扩展、人机工学等特点的同时，可明显缩短研发周期、降低生产成本。